水文学原理ppt课件.ppt

为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第三节第三节 土壤水土壤水一、土壤的水理特性一、土壤的水理特性二、土壤水的存在形式和分类二、土壤水的存在形式和分类三、土壤水的水力特性三、土壤水的水力特性四、土壤水运动的基本方程四、土壤水运动的基本方程第五章第五章 土壤水和下渗土壤水和下渗为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能学习重点及难点：学习重点及难点：1.1.认识土壤水分存在的基本形式；（重点掌握）认识土壤水分存在的基本形式；（重点掌握）2.2.掌握土壤水分常数的概念（掌握土壤水分常数的概念（凋萎系数、田间持水量凋萎系数、田间持水量）。）。3.3.了解土壤水势的存在形式及其达西公式，为后续了解土壤水势的存在形式及其达西公式，为后续的学习打基础。（难点、了解）的学习打基础。（难点、了解）为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 土壤的形成过程是：土壤的形成过程是：“地壳表面的岩石风地壳表面的岩石风化及其搬运的沉积体，接受其所处的环境因素化及其搬运的沉积体，接受其所处的环境因素的作用，而形成具有一定剖面形态和肥力特征的作用，而形成具有一定剖面形态和肥力特征的土壤的土壤”。所以土壤形成过程是一组物理、化。所以土壤形成过程是一组物理、化学与生物化学的组合反应。学与生物化学的组合反应。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一一 土壤水土壤水1 1 土壤的定义土壤的定义 地地球球表表面面具具有有肥肥力力，能能生生长长植植物物的的疏疏松松表表层层。（fromfrom环境科学大辞典）环境科学大辞典）成成因因：由由岩岩石石风风化化和和母母质质的的成成土土过过程程综综合合作作用用下下形形成成的的，它它由由矿矿物物质质、动动植植物物残残体体腐腐蚀蚀产产生生的的有有机机物物质以及水分、空气等固、液、气三相组成；质以及水分、空气等固、液、气三相组成；为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2 包气带和饱和带包气带和饱和带1 1）包包气气带带的的定定义义：地地面面以以下下潜潜水水面面以以上上的的地地带带，也也称称非非饱饱和和带带。是是大大气气水水和和地地表表水水同同地地下下水水发发生生联联系系并并进进行行水水分分交交换换的地带；三相系统：土壤颗粒、水分和气体；的地带；三相系统：土壤颗粒、水分和气体；为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2）饱饱和和带带的的定定义义：在在地地下下水水面面以以下下，土土壤壤处处于于饱饱和和含含水水状状态态，是是土土壤壤颗颗粒粒与与水水分分的的二二相相系统。系统。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3 3 土壤水土壤水 土土壤壤水水：土土壤壤中中各各种种形形态态水水分分的的总总称称。（环环境境科科学大辞典）学大辞典）存存在在于于非非饱饱和和带带土土壤壤孔孔隙隙中中及及土土壤壤颗颗粒粒所所吸吸附附的的水分。水分。（中国大百科全书）（中国大百科全书）储储存存和和运运移移于于地地表表，向向下下延延伸伸至至潜潜水水面面以以上上的的土土壤壤水水分分（包包括括固固态态水水、气气态态水水和和液液态态水水），称称为为土土壤壤水。水。水文学上土壤水是指存在于包气带中的水。水文学上土壤水是指存在于包气带中的水。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能土壤的水理特性土壤的水理特性1.1.土壤比重：指土壤中固体物质与同体积水的重量比。土壤比重：指土壤中固体物质与同体积水的重量比。2.2.土壤容重：指土壤容重：指自然条件下自然条件下，单位体积中的干土重量。，单位体积中的干土重量。3.3.土壤孔隙比：指土壤中孔隙体积与固体体积之比。土壤孔隙比：指土壤中孔隙体积与固体体积之比。4.4.孔隙率：指孔隙体积与总体积之比。孔隙率：指孔隙体积与总体积之比。松散土体宏观上可以分为松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类大类：砂性土与粘性土类为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第二节第二节 土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式土壤水土壤水为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1 1）汽态水）汽态水汽态水：汽态水：存在于土壤空隙存在于土壤空隙 中的水汽中的水汽 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2）吸着水）吸着水土土粒粒吸湿水吸湿水:紧束在土粒表面，紧束在土粒表面，不能自由移动不能自由移动薄膜水：薄膜水：吸附于吸湿水外部，吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面做只能沿土粒表面做 微小的移动微小的移动膜状水示意图膜状水示意图膜状水移动示意图膜状水移动示意图 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3 3）毛管水）毛管水毛管水毛管水:受受毛管力的作用保毛管力的作用保 持在土壤中的水分持在土壤中的水分存在形式：气存在形式：气态 固固态 液液态 设想想实验：材料（玻璃珠子、：材料（玻璃珠子、细管）管）+水（水杯）水（水杯）为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能机制：毛管力（0.08-6.25 105 ）h水柱高度（水柱高度（cm)d孔隙直径（孔隙直径（mm）毛管作用力范围：毛管作用力范围：0.1-1mm有明显的毛管作用有明显的毛管作用0.05-0.1mm 毛管作用较强毛管作用较强 0.05-0.005 毛管作用最强毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失毛管作用消失为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能土土 粒粒毛毛管管上上升升水水示示意意图图地下水位地下水位为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能土土 粒粒毛毛管管悬悬着着水水示示意意图图均均质土包气土包气带水分分布水分分布为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能毛管上升水毛管上升水:地下水在毛管力作用下上升并保持在土地下水在毛管力作用下上升并保持在土壤中的水分；壤中的水分；毛管悬着水毛管悬着水:当地下水位较低时，降雨或灌溉后因毛当地下水位较低时，降雨或灌溉后因毛管力的作用而保持在土壤里的水分。管力的作用而保持在土壤里的水分。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4 4）重力水）重力水重力水：重力水：受重力支配不能被受重力支配不能被 土壤所保持的水分土壤所保持的水分为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.土壤含水量及水分常数土壤含水量及水分常数吸湿水吸湿水薄膜水薄膜水毛管水毛管水紧束缚水，吸湿水达到最大紧束缚水，吸湿水达到最大吸湿系数吸湿系数松束缚水，薄膜水达到最大松束缚水，薄膜水达到最大最大分子持最大分子持水量水量有效水（容易有效水（容易被植物吸收利被植物吸收利用的）用的）为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能按运动形态划分：按运动形态划分：土壤水土壤水汽态水汽态水吸着水吸着水毛管水毛管水重力水重力水吸湿水吸湿水薄膜水薄膜水毛管上升水毛管上升水毛管悬着水毛管悬着水为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第三节第三节 土壤含水率及水分常数土壤含水率及水分常数1.1.定义定义:一定量的土壤中所含水分的数量。一定量的土壤中所含水分的数量。（1 1）土壤重量含水率）土壤重量含水率 例例1：土壤烘干前湿重为：土壤烘干前湿重为95g，烘干后重，烘干后重79g，求质量含水，求质量含水量。量。（2 2）土壤容积含水率）土壤容积含水率（3）蓄水深度）蓄水深度 例例3：如某土层厚度为如某土层厚度为10cm，容积含水量为，容积含水量为25，求水深。求水深。Dw=（1025）2.5(cm)25(mm)（4 4）相对含水量）相对含水量为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能膜状水示意图膜状水示意图为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能土土 粒粒毛毛管管上上升升水水示示意意图图地下水位地下水位为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能土土 粒粒毛毛管管悬悬着着水水示示意意图图为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.土壤水分常数土壤水分常数1)1)吸湿系数吸湿系数:吸湿水达到最大时的土壤含水率。吸湿水达到最大时的土壤含水率。2)2)最大分子持水量：最大分子持水量：薄膜水达到最大时的土壤含水率。薄膜水达到最大时的土壤含水率。3)3)凋萎系数：凋萎系数：作物产生永久凋萎时的土壤含水率作物产生永久凋萎时的土壤含水率。4)4)田间持水量：田间持水量：毛管悬着水达到最大时的土壤含水率。毛管悬着水达到最大时的土壤含水率。5)5)毛管断裂含水量：毛管断裂含水量：毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水量。水量。6 6）饱和含水量：）饱和含水量：所有土壤孔隙都被水所充满时的土壤含水率所有土壤孔隙都被水所充满时的土壤含水率 。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 影响因素：影响因素：土壤质地、植物种类、气候等土壤质地、植物种类、气候等 下表给出了不同质地土壤的萎蔫系数参考范围。下表给出了不同质地土壤的萎蔫系数参考范围。萎蔫系数是植物可以利用的土壤萎蔫系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。有效水含量的下限。凋凋萎系数萎系数无效孔度无效孔度=凋萎系数凋萎系数容重容重不同质地和耕作条件下的田间持水量不同质地和耕作条件下的田间持水量m m（q q%）紧实紧实耕后耕后 21 21 25 2528-3228-32 24-28 24-28 22-26 22-26 20-24 20-24 13-20 13-20 10-14 10-14 田间持水量田间持水量 二合土二合土粘土粘土重壤土重壤土中壤土中壤土轻壤土轻壤土砂壤土砂壤土砂土砂土 土壤质地土壤质地 在形态上它包括在形态上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水吸湿水、膜状水和毛管悬着水。当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水量是确定量是确定灌水量灌水量的重要依据的重要依据。影响因素影响因素：质地、有机质含量、结构、松紧状况等质地、有机质含量、结构、松紧状况等水分常数水分常数为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3 3 土壤含水量测定土壤含水量测定1）.称重法称重法:2）.张力计法张力计法 3）.电阻法电阻法4）.中子法中子法 5）.r-射线法射线法6）.驻波比法驻波比法 7）.光学测量法光学测量法8）.时域反射法时域反射法1.毛细现象及毛细力毛细现象及毛细力第四节第四节 土壤水分运动基本方程土壤水分运动基本方程 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水的平衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水的平衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状况的纯自由水体所能做的功参照状况的纯自由水体所能做的功。如何定义和如何定义和计算？例如在饱和的含水层中，如何计算？在非计算？例如在饱和的含水层中，如何计算？在非饱和情况下，土水势由何组成？如何计算？饱和情况下，土水势由何组成？如何计算？2.土水势为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1)1)、基质势（也称：基模势）、基质势（也称：基模势）土壤颗粒（基质）对土壤水的吸附和毛管作土壤颗粒（基质）对土壤水的吸附和毛管作用，使土壤水保持在土壤中，统称为基质势。用，使土壤水保持在土壤中，统称为基质势。基质势由吸附势和毛管势组成，两者很难区基质势由吸附势和毛管势组成，两者很难区分开。分开。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 自由水自由水(可以自由流动的水，是良好的溶剂和运输工具)不含基质势，设为标准参考状态（不含基质势，设为标准参考状态（0 0）。）。数值上等于：单位数量的土壤水分由数值上等于：单位数量的土壤水分由非饱和非饱和土土壤中的一点移至标准状态，除了土壤基质作用壤中的一点移至标准状态，除了土壤基质作用外其它各项维持不变，土壤水分所作的功。外其它各项维持不变，土壤水分所作的功。非饱和土壤水的基质势永远为负。非饱和土壤水的基质势永远为负。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能张力计张力计。C。B。B水水陶土陶土头土体土体hc例例：HBZBhBcZB(-hBc)HB （图示）示）如果如果测得包气得包气带中中HB HC，水流运，水流运动方向方向为BC；在入渗；在入渗水流中包气水流中包气带中中HB HC，水流运，水流运动方向方向为CB。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2)2)、溶质势（、溶质势（）：土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水）：土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水的综合作用所形成的势。的综合作用所形成的势。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 土壤水溶液对水分子有吸引力，实施土壤水溶液对水分子有吸引力，实施上述移动时必须克服这种吸持作用对土壤上述移动时必须克服这种吸持作用对土壤水做功。也就是说，土壤水中溶质的存在，水做功。也就是说，土壤水中溶质的存在，降低水的自由能。所以溶质势降低水的自由能。所以溶质势 s s00。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3）、压力势（也称：静水压力势）、压力势（也称：静水压力势）由于压力场中压力差的存在而引起的。由于压力场中压力差的存在而引起的。自由水面以下，土壤水受到静水压力作用，自由水面以下，土壤水受到静水压力作用，所具有的压力势能。所具有的压力势能。标准参考状态：标准大气压标准参考状态：标准大气压为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 对于饱和土壤水，地下水面以下对于饱和土壤水，地下水面以下h h深处的附加深处的附加压强为压强为 w wghgh，由于在地下水面以下，该值大于零；由于在地下水面以下，该值大于零；单位容积的压力势为单位容积的压力势为 p p=w wghgh单位质量的压力势为单位质量的压力势为 p p=ghgh单位重量的压力势为（单位重量的压力势为（压力水头压力水头）p p=h h 非饱和土壤水，孔隙连通，各点均为大气压，非饱和土壤水，孔隙连通，各点均为大气压，p p=0=0。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 4 4）、重力势）、重力势 土壤水处于重力场中，由于地球引力而使土土壤水处于重力场中，由于地球引力而使土壤水所具有的势能称为重力势。壤水所具有的势能称为重力势。数值上等于：将单位数量的土壤水分从某一数值上等于：将单位数量的土壤水分从某一点移动到参考状态平面处，而其它各项维持不变点移动到参考状态平面处，而其它各项维持不变情况下，土壤水所作的功。数值大小取决于土壤情况下，土壤水所作的功。数值大小取决于土壤水所处的高度。水所处的高度。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 参考平面任意，一般可取：海平面、地面标参考平面任意，一般可取：海平面、地面标高、地下水位标高。高、地下水位标高。土壤中垂直坐标为土壤中垂直坐标为z z、质量为、质量为m m的土壤水所具的土壤水所具有的重力势为：有的重力势为：E Eg g=mgzmgz。单位质量土壤水的重力势为：单位质量土壤水的重力势为：g g=gzgz 单位重量土壤水的重力势（水头或水位）：单位重量土壤水的重力势（水头或水位）：g g=z z为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 5 5）、温度势）、温度势 由于温度场的温差所引起的。土壤中任意点由于温度场的温差所引起的。土壤中任意点土壤水分的温度是由该点的温度与标准参考状态土壤水分的温度是由该点的温度与标准参考状态的温度之差决定。的温度之差决定。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 总土水势总土水势分析一般土壤水运动时，溶质势和温度势可以忽略。分析一般土壤水运动时，溶质势和温度势可以忽略。非饱和土壤中：重力势和基质势非饱和土壤中：重力势和基质势饱和土壤中：重力势和压力势饱和土壤中：重力势和压力势土壤水流总是由位置高处向位置低处流动，对吗土壤水流总是由位置高处向位置低处流动，对吗为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 水的流动方向不仅与位置高度有关，而且水的流动方向不仅与位置高度有关，而且取决于土壤的干湿程度，不能笼统地说水由位取决于土壤的干湿程度，不能笼统地说水由位置高处流向位置低处，流动唯一遵循的原则是置高处流向位置低处，流动唯一遵循的原则是土水势土水势高处向土水势低处运移。高处向土水势低处运移。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能总土水势的表示方法（单位）：可统一用水总土水势的表示方法（单位）：可统一用水柱高度表示。柱高度表示。势能为标量，只有大小没有方向，可进行代势能为标量，只有大小没有方向，可进行代数运算。数运算。势能的梯度具有方向，土壤水总是向势能减势能的梯度具有方向，土壤水总是向势能减小的方向运动，即向负梯度方向运动。小的方向运动，即向负梯度方向运动。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线表示土壤水的能量土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分的保和数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。的曲线。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线有滞后土壤水分特征曲线有滞后现象现象 0200400600800100012002040土壤负压-h(cm)含水率(%)粘土壤土砂土表示土壤负压（基质势）表示土壤负压（基质势）与土壤含水率关系的曲线与土壤含水率关系的曲线 土质不同，土壤水分特征土质不同，土壤水分特征曲线不同，或者说土壤水曲线不同，或者说土壤水分特征曲线反映了不同土分特征曲线反映了不同土质的水力特性质的水力特性 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能土壤水分特征曲线的滞后现象土壤水分特征曲线的滞后现象 土壤在吸水和脱水过程中的水土壤在吸水和脱水过程中的水分特征曲线不相重合的现象分特征曲线不相重合的现象0200400600800100012002040土壤负压-h(cm)含水率(%)壤土滞后现象产生的原因主要有：滞后现象产生的原因主要有：土壤孔隙的不规则性土壤孔隙的不规则性 吸水过程中，空气常被封闭吸水过程中，空气常被封闭于土壤孔隙中于土壤孔隙中吸水吸水释水释水为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（1）基本概念a.均质土壤b.非均质土壤c.各向同性d.各向异性4.土壤水流动的基本方程土壤水流动的基本方程为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(2)饱和土壤水流动的达西定律：饱和土壤水流动的达西定律：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能重力水运动基本规律重力水运动基本规律达西定律及其试验方法达西定律及其试验方法 要试验什么？要试验什么？V&I渗透系数的定义？达西定律适用范围低速层流 雷诺数Re小于10的层流为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（3）非饱和土壤水流动的达西定律）非饱和土壤水流动的达西定律理查兹理查兹(Richards)1931年用实验证明，非饱和土壤水流也年用实验证明，非饱和土壤水流也符合达西定律：符合达西定律：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能该式与饱和水流的达西定律形式上相同，但含义和特点不同。该式与饱和水流的达西定律形式上相同，但含义和特点不同。两者水的流动都是由水势差而引起，但两者的组成不同两者水的流动都是由水势差而引起，但两者的组成不同:饱和水饱和水流总势（通常称水头）由重力势和压力势构成；非饱和流总势流总势（通常称水头）由重力势和压力势构成；非饱和流总势（土水势）由重力势和基质势构成，（土水势）由重力势和基质势构成，水的流动唯一遵循的原则水的流动唯一遵循的原则是土水势是土水势 高处向土水势低处运移。高处向土水势低处运移。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 饱和土壤渗透系数可认为是常数，而非饱和饱和土壤渗透系数可认为是常数，而非饱和土壤的渗透系数（导水率）是土水势或含水量的土壤的渗透系数（导水率）是土水势或含水量的函数，它随着含水量的减小而降低。函数，它随着含水量的减小而降低。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能思考题：思考题：1.1.论述土壤水的存在形式及其特性。论述土壤水的存在形式及其特性。2.2.解释：土壤含水率、最大吸湿量、最大分子持水量、凋萎系解释：土壤含水率、最大吸湿量、最大分子持水量、凋萎系数、田间持水量、上升毛管水、悬着毛管水。数、田间持水量、上升毛管水、悬着毛管水。3.3.在非饱和土壤水中哪些土水势占优？在饱和土壤水中哪些水在非饱和土壤水中哪些土水势占优？在饱和土壤水中哪些水势占主导地位？势占主导地位？下渗学习提纲：下渗学习提纲：一、了解下渗的概念；一、了解下渗的概念；二、掌握下渗的物理过程（重点）二、掌握下渗的物理过程（重点）1.1.下渗过程的阶段划分；下渗过程的阶段划分；2.2.下渗水的垂向分布；下渗水的垂向分布；3.3.下渗要素；下渗要素；4.4.天然条件下的下渗（难点）天然条件下的下渗（难点）一一 下渗下渗1 1 定义：定义：指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。2 2 意义意义 影响土壤水和地下水动态，直接决定壤影响土壤水和地下水动态，直接决定壤中流和地下径流的组成，而且影响河川径流中流和地下径流的组成，而且影响河川径流的组成；下渗是将地表水与地下水，土壤水的组成；下渗是将地表水与地下水，土壤水联系起来的纽带，是径流形成过程、水循环联系起来的纽带，是径流形成过程、水循环过程的重要环节。过程的重要环节。3.3.下渗要素下渗要素 (1)(1)供水强度供水强度 (2)(2)下渗率：又称下渗强度。指单位面积上在下渗率：又称下渗强度。指单位面积上在单位时间内渗入土壤中的水量；（单位：单位时间内渗入土壤中的水量；（单位：mm/h mm/h，mm/min mm/min）；）；(3)(3)下渗能力下渗能力 又称下渗容量，指充分供水条件下的下又称下渗容量，指充分供水条件下的下渗率；渗率；（4 4）下渗曲线）下渗曲线（5 5）累积下渗量）累积下渗量 在某一时间段内，累积入渗的水量。在某一时间段内，累积入渗的水量。(6)(6)稳定下渗率：稳定下渗率：简称稳渗，随着下渗作用的不断进行，简称稳渗，随着下渗作用的不断进行，土壤含水量的增加，下渗率逐渐递减，递土壤含水量的增加，下渗率逐渐递减，递减的趋势也是先快后慢，当下渗锋面进行减的趋势也是先快后慢，当下渗锋面进行到一定深度后，下渗率趋于稳定的常数，到一定深度后，下渗率趋于稳定的常数，此时称为稳定下渗率。此时称为稳定下渗率。（7 7）下渗率与下渗能力）下渗率与下渗能力下渗率的变化规律可用数学模式表示：下渗率的变化规律可用数学模式表示：如霍顿公式：如霍顿公式：对上式积分，且当对上式积分，且当t=0t=0时，时，可得：，可得：二二 下渗过程下渗过程（一）下渗过程的阶段划分：（一）下渗过程的阶段划分：依据：在重力，分子力和毛管力的综合作用依据：在重力，分子力和毛管力的综合作用下的综合平衡过程。下的综合平衡过程。1 1 湿润阶段：湿润阶段：降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受分子力的作用，被土壤吸附分子力的作用，被土壤吸附吸湿水吸湿水薄膜薄膜水。水。当土壤含水量达到最大分子持水量时，当土壤含水量达到最大分子持水量时，开始向下一阶段过渡。开始向下一阶段过渡。2 2 渗漏阶段：渗漏阶段：随着土壤含水量的不断增大，分子力随着土壤含水量的不断增大，分子力逐渐被毛管力所取代，水在孔隙中做不稳逐渐被毛管力所取代，水在孔隙中做不稳定流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本定流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本达到饱和。达到饱和。3 3 渗透阶段：渗透阶段：在土壤孔隙被水充满达到饱和状态时，在土壤孔隙被水充满达到饱和状态时，水分主要受重力作用呈稳定流动。水分主要受重力作用呈稳定流动。渗漏：湿润阶段渗漏：湿润阶段+渗漏阶段（非饱和水流运渗漏阶段（非饱和水流运动）；动）；渗透：饱和水流运动；渗透：饱和水流运动；（二）下渗过程中土壤水分动态及分布规律（二）下渗过程中土壤水分动态及分布规律（1 1）饱和带：饱和带：位于土壤表层，持续供水达到饱和位于土壤表层，持续供水达到饱和（H1.5cmH1.5cm）；）；（2 2）过渡带：过渡带：位于饱和带之下，含水量随土壤深度的位于饱和带之下，含水量随土壤深度的增加而急剧减小，形成一个过渡带（增加而急剧减小，形成一个过渡带（H5cmH5cm）；）；（3 3）水分传递带：）水分传递带：位于过渡带之下，其特点含水量沿垂直位于过渡带之下，其特点含水量沿垂直均匀分布；作用力主要是重力；在均质土中，均匀分布；作用力主要是重力；在均质土中，下渗率接近于一个常数；下渗率接近于一个常数；（4 4）湿润带：湿润带：水分传递带之下，是含水量随深度迅水分传递带之下，是含水量随深度迅速递减的水分带。湿润带的末端成为湿润速递减的水分带。湿润带的末端成为湿润锋，锋面两边的含水量突变，锋面是上部锋，锋面两边的含水量突变，锋面是上部湿土与下部干土的界面。湿土与下部干土的界面。三三 下渗理论与经验公式下渗理论与经验公式1.1.理查兹理查兹(Richards)1931(Richards)1931年用实验证明，非饱和土年用实验证明，非饱和土壤水流也符合达西定律：壤水流也符合达西定律：2.饱和土壤水流动的达西定律：饱和土壤水流动的达西定律：3.3.下渗经验公式下渗经验公式 （1 1）.霍顿霍顿(Horton)(Horton)公式公式 模模型型简简单单，与与试试验验资资料料拟拟合合较较好好，具具有有一一定定的物理意义。的物理意义。（2 2）.考斯加柯夫考斯加柯夫(kostiakov)(kostiakov)公式公式优点：配线法求参容易优点：配线法求参容易缺点：当缺点：当t t 时，时，f f0 0，与实际不符，与实际不符一般形式一般形式 与与理理论论推推导导出出的的模模型型形形式式相相同同，符符合合一一般般下下渗渗过过程程，可可通通过过实实测测资资料料的的拟拟合合（配配线线）求参，应用较广泛。求参，应用较广泛。（3 3）下渗模型的用途下渗模型的用途 研研究究下下渗渗的的机机理理和和过过程程；在在流流域域模模型型中中，研究产流过程。研究产流过程。四四 自然条件下的下渗自然条件下的下渗 1 1 下渗与雨强的关系下渗与雨强的关系1 1）当当 ，入入渗渗过过程程受受入入渗渗能能力力制制约约，（A A线所示）；（土壤入渗能力控制）线所示）；（土壤入渗能力控制）2 2）当当 ，下下渗渗过过程程受受降降水水过过程程制制约约，（B B线所示）；（供水控制）线所示）；（供水控制）3 3）当当 ，刚刚开开始始降降雨雨全全部部渗渗入入土土壤壤，随随降降雨雨时时间间的的延延长长，入入渗渗率率逐逐渐渐减减小小，（按按曲曲线线C C，D D）；）；思考题：一次降雨过程中，下渗是否总是按思考题：一次降雨过程中，下渗是否总是按下渗能力进行？为什么？下渗能力进行？为什么？1 1）土土壤壤特特性性：组组成成（颗颗粒粒大大小）、结构、前期含水量等；小）、结构、前期含水量等；具具体体为为：粒粒度度与与下下渗渗率率成成正正比比；团团粒粒结结构构在在降降水水初初期期下下渗渗率率大大，但但后后期期遇遇水水膨膨胀胀后后减减小小下下渗渗率率；前前期期含含水水量量与与下渗率呈反比。下渗率呈反比。2、影响下渗的因素、影响下渗的因素3 3）流域植被、地形条件的影响流域植被、地形条件的影响地表特征地表特征：地形、植被、河网密度、地下水埋深等；：地形、植被、河网密度、地下水埋深等；地地形形：地地形形坡坡度度小小有有利利于于存存留留降降雨雨，从从而而增增加加下下渗渗量。量。植植被被：阻阻滞滞地地面面径径流流，增增加加下下渗渗时时间间；根根系系及及腐腐殖殖质使土壤松软透水，有利于下渗。质使土壤松软透水，有利于下渗。2 2）降水特性的影响）降水特性的影响降水强度、历时、降水时程分配及降水空间分布；降水强度、历时、降水时程分配及降水空间分布；连续性：间歇降水可使下渗能力有一定的恢复；连续性：间歇降水可使下渗能力有一定的恢复；降降水水时时程程：同同样样降降水水量量，先先大大后后小小有有利利于于下下渗渗，而而先小后大，有利于径流产生。先小后大，有利于径流产生。4 4）人类活动的影响人类活动的影响 人类活动对下渗的影响，既有增大的一人类活动对下渗的影响，既有增大的一面，也有抑制的一面。面，也有抑制的一面。2 2 下渗的空间分布下渗的空间分布 1 1）流流域域中中土土壤壤性性质质的的空空间间分分布布不不同同，沿沿垂垂向的分布也常呈现非均匀结构；向的分布也常呈现非均匀结构；2 2）降雨开始时的含水量空间分布不同；）降雨开始时的含水量空间分布不同；3 3）一场降雨在空间和时间上分布不均匀；）一场降雨在空间和时间上分布不均匀；4 4）流域内各处地下水位高低不一。）流域内各处地下水位高低不一。五五 下渗实验与分析下渗实验与分析1 1 研究的目的与意义研究的目的与意义 直直接接得得到到不不同同条条件件下下的的下下渗渗量量和和下下渗渗率率；通通过过试试验验或或实实测测数数据据，求求得得各各种种下下渗渗模模型型中中的参数；求得其他水循环要素。的参数；求得其他水循环要素。2 2 方法方法1 1）直接测定法（试验法）直接测定法（试验法）2 2）水文分析法（流域法）水文分析法（流域法）1 1）直接测定法）直接测定法注水试验法注水试验法设备：单管下渗仪、同心环下渗仪设备：单管下渗仪、同心环下渗仪方方法法：淹淹没没管管内内表表层层并并保保持持一一定定水水面面高高度度，测量各时刻注水量，可计算测量各时刻注水量，可计算F F和和f f。优优点点：设设备备简简单单、易易行行，可可较较准准确确测测得得下下渗渗过程。过程。缺缺点点：仅仅能能代代表表测测点点的的下下渗渗条条件件（单单点点下下渗渗）；理理想想条条件件下下（供供水水充充分分）而而不不是是天天然然条条件件下的结果。沿管壁侧渗产生较大误差。下的结果。沿管壁侧渗产生较大误差。2 2）直接测定法）直接测定法人工降雨法人工降雨法设备：模拟降水设备设备：模拟降水设备+试验场地；试验场地；方方法法：按按设设计计进进行行人人工工降降雨雨，连连续续记记录录人人工工降降雨雨量量和试验场流出量，按下式计算下渗量：和试验场流出量，按下式计算下渗量：式中：式中：-降雨量；降雨量；地面径流量；地面径流量；入入渗渗量量；洼洼地地积积水水量量；植植物物截截流流量量。地表滞水量；地表滞水量；单位：单位：mmmm 如如果果试试验验场场面面积积较较大大，则则要要考考虑虑坡坡面面滞滞蓄蓄水量和填洼水量。水量和填洼水量。优优点点：可可以以随随时时掌掌握握测测验验时时机机，可可以以控控制制降降雨雨强强度度、降降雨雨分分布布、雨雨滴滴大大小小及及降降落落高高度度，同同时时设设备备可可以以转转移移，能能在在不不同同坡坡度度、土土壤壤、土地利用及植被情况下进行试验。土地利用及植被情况下进行试验。缺缺点点：设设备备较较复复杂杂、试试验验站站场场地地较较大大，费费用高。用高。例题：由人工降雨下渗实验获得的累积下渗过程F(t),图表所示，试推求该次实验的下渗过程f(t)及稳定入渗率。时间t(h)01234567F(t)mm037.360.577.088.496.8103.3108.7f(t)mm/h时间t(h)89101112131415F(t)mm113.4117.7121.7125.5129.4133.1136.7140.3f(t)mm/h2 2 水文分析法水文分析法适适用用：小小流流域域或或径径流流试试验验站站实实测测的的降降雨雨资资料料及流量资料；及流量资料；基本原理：水均衡方程基本原理：水均衡方程SsSs河槽水量；河槽水量；SvSv坡面滞流量；坡面滞流量；SdSd填洼量。填洼量。记：记：表表示示t t时时刻刻流流域域平平均均滞滞蓄蓄水水量量，对对上上式式求求导导，得得到到下下渗率